Ходовые вакуумметры. Часть 3. Манометры ионизационные

2026-07-29 в 13:01, admin, рубрики: ruvds_статьи, вакуумметр, вакуумная камера, вакуумная лампа, вакуумная техника, вакуумное напыление, вакуумные приборы

Как мы уже знаем, для работы с (самодельными) электровакуумными и ионными приборами желательно иметь откачной пост, умеющий создавать высокий вакуум — снижать давление в обрабатываемом приборе от атмосферного (~ 760 мм рт. ст.), до остаточного, не выше 10^-5 мм рт. ст. (Торр). Как не существует сравнительно простого (удобного, доступного, недорогого) насоса, перекрывающего такой огромный диапазон, также нет и простых вакуумметров «атмосфера — высокий вакуум». Обычная практика в таких случаях — разделение откачки на предварительную (форвакуум) и высоковакуумную ступень, где действуют разные принципы течения газа, способы его удаления и измерения давления. Рассмотренные нами манометры барометрические [1] и тепловые (Пирани [2], термопарные [3]), работают в области высоких (близких к атмосферному) и средних давлений — до 10^-3…10^-4 Торр, давления же в области высокого вакуума, обычно измеряются ионизационным манометром, составляющим традиционную пару с тепловым. Рассмотрим же такой манометр ионизационного типа — принцип действия его преобразователя, варианты ходовые, исторические, заводские, интересные. Схемы включения, особенности работы, измерительные блоки. Как всегда, с прицелом на любительскую электровакуумную лабораторию‑мастерскую и вдумчивую ручную работу.

1. Устройство и работа ионизационного манометра

Работа такого преобразователя основана на ионизации оставшегося газа электронным потоком и измерении образовавшегося ионного тока — пропорционального остаточному давлению.

Электронный поток в преобразователе получают обычно — от накалённого током проволочного катода к положительно заряженному аноду, так же как и в приёмно‑усилительных лампах, и даже конструкция некоторых преобразователей здорово напоминает хрестоматийный вакуумный триод. Манометрические лампы, однако, имеют заметные и важные отличия, иначе включаются и даже назначение электродов имеют другое.

Фото 1.1. Схема устройства манометрической лампы ПМИ-2 (А), где: 1 — стеклянный баллон; 2 — коллектор ионов; 3 — сеточный анод, 4 — катод; В, Г — внешний вид лампы ПМИ-2

Рассмотрим типичное устройство ионизационного преобразователя на примере всё ещё весьма распространённой манометрической ретролампы ПМИ-2 в стеклянном баллоне (Фото 1.1.). Прибор имеет колбу из стекла молибденовой группы [4] и после вскрытия укрупнённого штенгеля, может быть припаян им к стеклянной вакуумной системе напрямую, лезвийным спаем через медь или ковар, наконец, может быть присоединён через «уплотнение грибкового типа» с резиновым колечком, так же точно как и низковакуумная термопарная лампа‑преобразователь ПМТ-2 [3]. Катод нашей ПМИ-2 — прямонакальный из чистого вольфрама. Сеточный анод преобразователя также выполнен из вольфрамовой проволоки Ø 0,2 мм в виде бифилярной спирали и имеет выводы от обоих концов для удобного его обезгаживания [5] (прокаливания) пропусканием тока (3 А), при работе же на него подаётся +200 В. Цилиндр коллектора ионов сделан из никеля, а для уменьшения токов утечки его вывод вынесен вверх. Рабочий потенциал коллектора -50 В.

Рис. 1.2. Схема включения ионизационного датчика (1); эскиз его устройства (2); траектория электрона (3). На эскизе: К — катод, АС — анод-сетка, Ки — коллектор ионов. В некоторых случаях удобнее включать преобразователь так же как и обычный усилительный триод — с положительным потенциалом (несколько сотен вольт) на коллекторе ионов и небольшим (несколько десятков вольт) потенциалом на внутренней сетке (4), хотя такой способ и менее чувствителен — Рис. 1.2. Схема включения ионизационного датчика (1); эскиз его устройства (2); траектория электрона (3). На эскизе: К — катод, АС — анод‑сетка, Ки — коллектор ионов. В некоторых случаях удобнее включать преобразователь так же как и обычный усилительный триод — с положительным потенциалом (несколько сотен вольт) на коллекторе ионов и небольшим (несколько десятков вольт) потенциалом на внутренней сетке (4), хотя такой способ и менее чувствителен

Работает ионизационный преобразователь так: вольфрамовая нить катода, нагреваемая электрическим током, испускает в окружающую среду с разрежённым газом электроны. Электроны, имея отрицательный заряд, устремляются к электроду с положительным потенциалом — аноду‑сетке. Некоторые электроны проходят сквозь витки этой сетки и в пространстве между анодом и цилиндром коллектора ионизируют молекулы оставшегося газа. Образовавшиеся ионы, имея заряд положительный, собираются на отрицательном коллекторе ионов (Рис. 1.2.) — появляется ионный ток, тем больший, чем больше газа в системе.

Интересна судьба пролетевших сквозь сетку электронов: имея отрицательный заряд, они не могут попасть на отрицательный коллектор. Достигнув точки пространства с нулевым потенциалом, они останавливаются и начинают движение обратно — к положительной анодной сетке. В результате, у сетки непрерывно колеблются электроны, и прежде чем попасть на анод, каждый из них совершает в среднем около пяти колебаний (Рис. 1.2. (3)), что повышает вероятность столкновения с молекулой газа — такая схема включения (Рис. 1.2. (1)) оказывается более чувствительной (чем схема Рис. 1.2. (4)).

Измеренное давление вычисляется по формуле P = C * I; где: I — измеренный ионный ток (А), С — постоянная преобразователя (Торр/А — паспортная величина).

ПМИ-2 позволяет измерить остаточные давления в диапазоне 10^-3…10^-7 Торр.

2. Расширение диапазона измерений вверх

Рис. 2.1. Интересная рукодельная стеклянная лампа — ионизационный преобразователь, отличающаяся запасным табельным катодом и конструкцией, позволяющей сравнительно легко их заменять [6]. Компоновка и включение электродов обычные, на эскизе: 1 — коллектор ионов с верхним выводом; 2 — анод из никелевой сетки, свёрнутой и закреплённой тонкой проволокой на трубчатой стеклянной ножке 3, один из выводов этой проволоки образует вывод вбок; 4 — жёсткая стойка-траверса и две половины нити накала на ней — обычно используется одна из половин, при её перегорании — вторая. Полностью перегоревшие нити нетрудно заменить, отколов удлинённую ножку с внешним впаем (отмечено синеньким) и припаяв аналогичный узел или восстановив старый. На схеме включения: 5 — «шунт Айртона» для гальванометра 6; 7 — предохранители. Прибор позволял измерять давления в диапазоне 10-3…10-9 Торр — Рис. 2.1. Интересная рукодельная стеклянная лампа — ионизационный преобразователь, отличающаяся запасным табельным катодом и конструкцией, позволяющей сравнительно легко их заменять [6]. Компоновка и включение электродов обычные, на эскизе: 1 — коллектор ионов с верхним выводом; 2 — анод из никелевой сетки, свёрнутой и закреплённой тонкой проволокой на трубчатой стеклянной ножке 3, один из выводов этой проволоки образует вывод вбок; 4 — жёсткая стойка‑траверса и две половины нити накала на ней — обычно используется одна из половин, при её перегорании — вторая. Полностью перегоревшие нити нетрудно заменить, отколов удлинённую ножку с внешним впаем (отмечено синеньким) и припаяв аналогичный узел или восстановив старый. На схеме включения: 5 — «шунт Айртона» для гальванометра 6; 7 — предохранители. Прибор позволял измерять давления в диапазоне 10^-3…10^-9 Торр

Высшая граница измеряемых давлений, для ионизационных преобразователей — 10^-3 Торр обусловлена традиционным материалом горячего катода — вольфрамом, дающим самую стабильную эмиссию, однако, такие нити перегорают при атмосферном давлении и очень недолго работают при высоких (10^-4…10^-3 Торр) давлениях. Например, ресурс ПМИ-2 при давлении в системе 10^-5 Торр — 750 часов; 10^-4 Торр — 75 часов; 10^-3 Торр — 7.5 часов. Отсюда — следует всемерно беречь работающую лампу от «прорыва атмосферы» (контакта с атмосферой «на ходу»), что и для остальной высоковакуумной части оборудования сродни аварии. Не следует также длительно использовать такую лампу при высоком (выше 10^-4 Торр) давлении.

Для работы при сравнительно высоком давлении горячий катод преобразователя может быть выполнен из платины или некоторых других жаростойких на воздухе металлов.

В целом, для работы ионизационного преобразователя в диапазоне высоких давлений, прибор должен иметь:

химически стойкий к действию газов катод;
малую чувствительность — небольшие расстояния между катодом и анодом;
прямой, без колебаний, характер движения электронов с катода на анод (схема включения с внешним анодом Рис. 1.2. (4));
высокую эффективность улавливания коллектором образовавшихся ионов;
малую плотность электронного тока;

Исходя из этих требований, сконструированы специальные ионизационные преобразователи для работы в диапазоне высоких давлений, например, отечественный ПМИ-10-2 (0,75…7.5 * 10^-5 Торр)).

Рис. 2.2. Устройство (А) и внешний вид (Б) ионизационного преобразователя ПМИ-10-2, где: 1 — металлический корпус; 2 — никелевые пластины — коллектор ионов; 3 — воздухостойкий П-катод — на иридиевом керне нанесено покрытие из окиси иттрия, обеспечивающее сравнительно низкую температуру; 4 — анод — сравнительно толстая пластина с овальным вырезом в центре. Электроды смонтированы на жёстких коваровых выводах, иридиевый керн катода обеспечивает его стойкость к высоким давлениям активных газов. В — ещё один ионизационный преобразователь с иридиевым оксидным катодом и расширенным вверх диапазоном измерений — Рис. 2.2. Устройство (А) и внешний вид (Б) ионизационного преобразователя ПМИ-10-2, где: 1 — металлический корпус; 2 — никелевые пластины — коллектор ионов; 3 — воздухостойкий П‑катод — на иридиевом керне нанесено покрытие из окиси иттрия, обеспечивающее сравнительно низкую температуру; 4 — анод — сравнительно толстая пластина с овальным вырезом в центре. Электроды смонтированы на жёстких коваровых выводах, иридиевый керн катода обеспечивает его стойкость к высоким давлениям активных газов. В — ещё один ионизационный преобразователь с иридиевым оксидным катодом и расширенным вверх диапазоном измерений

3. Расширение диапазона измерений вниз

Способность проводить измерения в области высокого и сверхвысокого вакуума (выше 10^-8 Торр) для традиционной конструкции преобразователя ограничивается возникновением мягкого рентгеновского излучения при столкновении электронов с деталями лампы — возникающая фотоэлектронная эмиссия даёт постоянный ионный ток, уже не зависящий от давления газа.

Рис. 3.1. Ионизационный преобразователь Байярда-Альперта. Схема устройства и фото варианта в стеклянном баллоне с разными способами присоединения. На эскизе: 1 — горячий катод; 2 — сетка-анод; 3 — коллектор ионов — Рис. 3.1. Ионизационный преобразователь Байярда‑Альперта. Схема устройства и фото варианта в стеклянном баллоне с разными способами присоединения. На эскизе: 1 — горячий катод; 2 — сетка‑анод; 3 — коллектор ионов

Значительно расширить область измеряемых давлений вниз позволила конструкция преобразователя, предложенная Байярдом и Альпертом. Для уменьшения рентгеновского фотоэффекта они радикально уменьшили коллектор ионов — выполнив его в виде тонкой металлической нити, а саму электродную систему, натурально, вывернули наизнанку (Рис. 3.1.). Конструкция получилась удачной — простой, лаконичной, со значительно сниженным нижним пределом.

Объём, заключённый внутри сетки‑анода усовершенствованного прибора, остаётся примерно таким же, как и в старой конструкции — количество ионизированного газа не изменилось. Коллектор же ионов теперь обладает очень малой площадью, рентгеновских лучей, излучаемых сеткой‑анодом, на него попадает немного — по сравнению с обычной конструкцией, оно меньше на несколько порядков. Кроме того, новая конфигурация электродов привела к лучшему распределению электрического поля, что повысило эффективность ионизации, а расположение коллектора в середине позволило улавливать больше образующихся ионов. Всё это отодвинуло нижнюю границу измеряемых давлений с 10^-7 Торр, до 10^-10…10^-11 (!) Торр, то есть, примерно на четыре порядка, захватив область сверхвысокого вакуума.

4. Бескорпусные ионизационные преобразователи

Как мы уже знаем, горячий вольфрам довольно эффективно связывает остаточные газы несколькими механизмами [7], ионизированный газ тоже частично поглощается металлами электродов — работающий ионизационный преобразователь представляет собой миниатюрный высоковакуумный насос. В смысле измерений это представляет проблему.

Фото 4.1. Старая добрая ПМИ-2 с современным измерительным блоком. Лампа новая, не вскрытая, не обезгаженная прогревом. Тем не менее хорошо видно её откачивающее действие — график давления (отмечено) монотонно ползёт вниз — за несколько часов заводские остаточные 10-4 Торр упали до 10-6 Торр — Фото 4.1. Старая добрая ПМИ-2 с современным измерительным блоком. Лампа новая, не вскрытая, не обезгаженная прогревом. Тем не менее хорошо видно её откачивающее действие — график давления (отмечено) монотонно ползёт вниз — за несколько часов заводские остаточные 10^-4 Торр упали до 10^-6 Торр

Забираясь в область высокого и сверхвысокого вакуума, кроме прочего, следует помнить и о меняющемся режиме течения газов — теперь из‑за большой длины свободного пробега, молекулы редко сталкиваются между собой, двигаясь подобно лучу света. При этом сужения и повороты вакуумного трубопровода становятся для них существенной преградой или сопротивлением — высоковакуумный ионизационный преобразователь традиционного устройства — как отдельный прибор с нетолстой соединительной трубкой, может (и будет) показывать местное пониженное остаточное давление, заметно не соответствующее давлению в других частях системы.

Фото 4.2. Бескорпусный ионизационный преобразователь классического типа (с внешним коллектором — цилиндром) ПМИ-3-2, собранный на высоковакуумном фланце (на фото — с защитной транспортировочной крышкой и расчехлённый). Имеет заменяемый (пользователем!) воздухостойкий катод из иридия, покрытого двуокисью иттрия. Конструкция прибора и металлическое (отожжённая медь) уплотнение позволяют прогревать прибор (обезгаживание) до 400 ̊ С

Современные высоко‑ и сверхвысоковакуумные установки обычно имеют рабочую камеру с набором стандартных фланцев для установки необходимого оборудования, в которые среди прочего устанавливаются и специальные бескорпусные ионизационные преобразователи — для более точных измерений по месту.

Фото 4.3. Высоковакуумные (сверхвысоковакуумные) камеры нескольких размеров и форм (без соблюдения масштаба). Как правило, изначально снабжаются больши́м набором фланцев для установки оборудования и несложной модернизации установки. Ненужные на текущий момент патрубки заглушаются

*Фото 4.4. Высоковакуумные (сверхвысоковакуумные) установки в сборе*

Рис. 4.5. Отечественный бескорпусный ионизационный преобразователь с внутренним коллектором (Байярда-Альперта) ПМИ-12-8. На фото — такой же «Байярд-Альперт» — ПМИ-27. В пробирках — сменные иридиевые оксидные катоды (!) — Рис. 4.5. Отечественный бескорпусный ионизационный преобразователь с внутренним коллектором (Байярда‑Альперта) ПМИ-12-8. На фото — такой же «Байярд‑Альперт» — ПМИ-27. В пробирках — сменные иридиевые оксидные катоды (!)

5. Измерительные блоки ионизационных манометров

При сравнительно несложной принципиальной схеме включения ионизационного преобразователя внешние блоки для работы с этими датчиками претерпели те же самые эволюции, что и измерители тепловые [3] — от больших и тяжёлых железных ящиков с аналоговой схемой, ручным управлением, стрелочными приборами и в целом простейшим устройством, до современных измерительных компьютеров — компактных цифровых автоматических блоков с богатыми возможностями.

Фото 5.1. Всё ещё широко известные в отечественной практике, недорогие, универсальные аналоговые вакуумметры ВИТ-2, ВИТ-3 (вакуумметр ионизационно-термопарный), охватывающие наиболее применимый диапазон давления — с «почти атмосферы», до высокого вакуума — 10-7 Торр. Входные цепи выполнены на электрометрических лампах, ручное управление, имеется выход для самописца — Фото 5.1. Всё ещё широко известные в отечественной практике, недорогие, универсальные аналоговые вакуумметры ВИТ-2, ВИТ-3 (вакуумметр ионизационно‑термопарный), охватывающие наиболее применимый диапазон давления — с «почти атмосферы», до высокого вакуума — 10^-7 Торр. Входные цепи выполнены на электрометрических лампах, ручное управление, имеется выход для самописца

Существовали и отдельные блоки для ионизационных датчиков, измерители с набором релейных выходов для управления установкой по остаточному давлению. В целом же, измерительные блоки вакуумметров развивались сообразно с эволюцией элементной базы — приборы аналоговые усложнялись, сменились цифровыми «с низкой степенью интеграции», наконец, превратились, натурально, в специализированный измерительный компьютер.

Фото 5.2. Современный вариант универсального вакуумметра для ходовых преобразователей. Работа прибора в низковакуумном (с лампой ПМТ-2) и высоковакуумном (ПМИ-2) диапазоне. Удобное представление данных, бортовой самописец, набор релейных выходов, связь с ПК, дистанционная и автоматическая работа

6. Итого

Составив общее представление о популярных высоковакуумных вакуумметрах, будем иметь в виду — рассмотренные варианты лишь наиболее часто встречающиеся — первоначальная идея работы ионизационного преобразователя оказалась плодотворной базой для совершенствования. Также формально к ионизационным можно отнести и простейшие разрядные трубки, и сверхвысоковакуумные варианты «с холодным катодом» — с радиоактивным источником, с магнитным полем и тому подобное

Рис. 6.1. Принципиальные схемы вариантов электродных систем ионизационных преобразователей: а — прямопролётный (высокого давления, например, ПМИ-10); б — с внешним цилиндрическим коллектором (ПМИ-2); в — Бйярда-Альперта (с внутренним коллектором); г — с внутренним коллектором и торцевыми стенками; д — с осевым коллектором и модулятором; е — экстракторный; ж — орбитронный; з — супрессорный; 1 — катод; 2 — анод; 3 — коллектор; 4 — модулятор; 5 — отражатель ионов; 6 — экран; 7 — супрессор — Рис. 6.1. Принципиальные схемы вариантов электродных систем ионизационных преобразователей: а — прямопролётный (высокого давления, например, ПМИ-10); б — с внешним цилиндрическим коллектором (ПМИ-2); в — Бйярда‑Альперта (с внутренним коллектором); г — с внутренним коллектором и торцевыми стенками; д — с осевым коллектором и модулятором; е — экстракторный; ж — орбитронный; з — супрессорный; 1 — катод; 2 — анод; 3 — коллектор; 4 — модулятор; 5 — отражатель ионов; 6 — экран; 7 — супрессор

Практические соображения к применению ПМИ-2: установка лампы вертикально, можно цоколем вниз, близко к откачиваемому объёму, а высоковакуумные трубопроводы должны быть по возможности короткими и большого сечения, повороты свести к минимуму. Лампу перед измерениями следует прокалить — сетку‑анод пропусканием тока, цилиндр коллектора — ТВЧ. Такой прогрев (обезгаживание) придётся выполнять после каждого контакта лампы с атмосферой. Включение лампы при атмосферном давлении равно её смерти, а работа при давлениях ниже 10^-4 Торр прискорбно снижает ресурс.

Число электронно‑ионных пар (вероятность ионизации), образующихся при столкновении электрона с молекулой газа, зависит от энергии электрона и рода газа — чувствительность ионизационного преобразователя к разным газам неодинакова — если измерения проводятся в «системе» с газом, отличающимся от сухого азота (воздуха), приходится пользоваться поправочными коэффициентами.

Откачивающее действие ионизационного преобразователя можно использовать как весьма простой чистый (безмасляный) высоковакуумный насос для опустошения небольших лабораторных объёмов.

7. Дополнительные материалы

Автор: BabayMazay

Источник

Информация

Комментарии

Рекомендуем